β熱處理條件與Ti-5321合金顯微組織特征的關(guān)系研究

周 偉，趙永慶，2，辛社偉，李 倩，張思遠(yuǎn)，王 歡,2，蔡建華

(1.西北有色金屬研究院，陜西 西安 710016)(2.西北工業(yè)大學(xué)，陜西 西安 710072)

0 引 言

鈦合金的強韌化與其組織結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。根據(jù)室溫下α相的形態(tài)，通常將鈦合金組織分為等軸組織、雙態(tài)組織、片層組織3類[1-4]。等軸或雙態(tài)組織具有較好的變形協(xié)調(diào)性，使鈦合金具有較高的塑性和疲勞強度。片層組織具有較高的裂紋擴展阻抗能力，斷裂韌性、裂紋擴展速率等損傷容限性能比等軸組織或雙態(tài)組織要好。在對鈦合金進行損傷容限設(shè)計時，一般會把片層組織作為優(yōu)選對象[5-7]。目前，主要采用β加工和β熱處理獲得片層組織的鈦合金，β熱處理的加熱溫度和保溫時間會影響β晶粒尺寸，冷卻速率會影響α片層形貌，因此，了解不同β熱處理條件與顯微組織的關(guān)系對于調(diào)控片層組織結(jié)構(gòu)和性能具有重要意義。

鈦合金是現(xiàn)代航空工業(yè)的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)材料。先進飛機的長壽命、高可靠性要求及耐久性、損傷容限設(shè)計對結(jié)構(gòu)材料的比強度、韌性等性能提出了越來越高的要求，高強韌鈦合金成為結(jié)構(gòu)鈦合金發(fā)展的重點[8-10]。Ti-5321合金是西北有色金屬研究院開發(fā)的一種Ti-Al-Mo-V-Cr-Zr-Nb-Fe系新型高強韌鈦合金[11]，其強化熱處理后的抗拉強度超過1 200 MPa，并且具有良好的韌性(KIC≥65 MPa·m1/2)。本研究對不同β熱處理條件下Ti-5321合金的顯微組織特征進行分析，旨在為制定合理的熱處理工藝及組織特征控制提供指導(dǎo)。

1 實 驗

實驗材料為西北有色金屬研究院自主研發(fā)的Ti-5321合金。采用真空自耗電弧爐三次熔煉制備合金鑄錠，金相法測試合金的相變溫度為(860±5)℃。鑄錠經(jīng)過β相變點之上多火次鍛造加工成80 mm×80 mm方棒。從棒材上切取φ10 mm×10 mm樣品，在馬弗爐上進行不同工藝的β熱處理，具體工藝如下：①將試樣分別加熱至860、880、900、920、940、960、980、1 000 ℃，保溫30 min，水淬；②將試樣加熱至880 ℃，分別保溫30、60、90、120 min，水淬; ③將試樣加熱至880 ℃，保溫30 min后分別以0.25、0.5、1、2 ℃/min冷卻至700 ℃，水淬。

熱處理后的試樣經(jīng)磨光和拋光處理后，用Kross’腐蝕液[12]腐蝕。采用Olympus PMG3光學(xué)顯微鏡觀察顯微組織，用Image-Pro Plus 6.0圖像處理軟件對組織特征參數(shù)進行測量。

2 結(jié)果與分析

2.1 β晶粒生長規(guī)律

圖1為Ti-5321合金經(jīng)不同溫度和保溫時間熱處理后的顯微組織。從圖1可以看出，在860～920 ℃溫度范圍內(nèi)熱處理，β晶粒尺寸隨溫度的升高長大緩慢，平均晶粒尺寸由77 μm(圖1a)增大到130 μm(圖1b)，這說明在該溫度區(qū)間內(nèi)熱處理時合金具有較好的抗晶粒粗化能力。當(dāng)加熱溫度升高到940 ℃時，平均晶粒尺寸接近400 μm(圖1c)，合金在該溫度發(fā)生了晶粒急劇長大現(xiàn)象。之后隨著溫度的升高，晶粒長大速度漸緩，980 ℃熱處理后平均晶粒尺寸為531 μm(圖1d)。合金在880 ℃熱處理時晶粒尺寸隨著保溫時間的延長趨于均勻(圖1e、f)，說明該溫度下保溫時間主要影響合金組織的均勻化效果。

通常，粗大的β晶粒有利于提高合金的斷裂韌性及抗疲勞裂紋擴展能力，但對合金的塑性不利，細(xì)小均勻的晶粒有利于提高合金的綜合性能，晶粒尺寸越均勻，其長大的動力越小，晶粒越不容易長大[13]。從上述實驗結(jié)果分析認(rèn)為，Ti-5321合金β熱處理工藝優(yōu)選880～920 ℃保溫60～90 min。

圖1 Ti-5321合金經(jīng)不同溫度和保溫時間熱處理后的顯微組織Fig.1 Microstructures of Ti-5321 alloy after heat treatment at different temperatures and holding time：(a)880 ℃×30 min; (b)920 ℃×30 min; (c)940 ℃×30 min; (d)980 ℃×30 min; (e)880 ℃×60 min; (f)880 ℃×120 min

2.2 α片層析出特征

圖2為Ti-5321合金經(jīng)880 ℃熱處理后在不同冷卻條件下的組織形貌。從圖2可以看出，冷卻速率和冷卻時間對片層組織特征影響很大。當(dāng)冷卻速率為2 ℃/min時，由于冷速較快，冷卻到760 ℃時在晶界和晶內(nèi)只有少量細(xì)小層針狀α相析出(圖2a)。冷卻速率為1 ℃/min 時，晶界上析出較多的細(xì)針狀α集束，晶內(nèi)也存在少量取向各異的細(xì)針狀α集束(圖2b)。當(dāng)冷卻速率降低至0.5 ℃/min時，α集束尺寸明顯增大，α片層增厚(圖2c)。進一步降低冷卻速率到0.25 ℃/min時，α相沿晶界析出后向晶內(nèi)生長并粗化(圖2d、e)，片層在長度方向上的生長速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于在寬度和厚度方向上的生長速度；當(dāng)冷卻到700 ℃時，具有一定寬厚比的α片層貫穿整個β晶粒，形成與β晶粒之間存在Burgers取向關(guān)系的全片層組織[14](圖2f)，其生長特性符合感生形核生長特征[15]。

圖2 Ti-5321合金經(jīng)880 ℃熱處理后在不同冷卻條件下的顯微組織Fig.2 Microstructures of Ti-5321 alloy after heat treatments at 880 ℃ under different cooling conditions：(a)2 ℃/min cooled to 760 ℃；(b)1 ℃/min cooled to 760 ℃；(c)0.5 ℃/min cooled to 760 ℃；(d)0.25 ℃/min cooled to 800 ℃； (e)0.25 ℃/min cooled to 760 ℃； (f)0.25 ℃/min cooled to 700 ℃；

片層集束尺寸和片層寬度是決定合金斷裂韌性的重要因素[7]，集束尺寸越大，裂紋通過不同集束的有效滑移長度增加，片層寬度越大，裂紋尖端形成空洞所需的應(yīng)力越大。圖3為Ti-5321合金在不同冷卻速率下冷卻到760 ℃時的片層寬度和片層集束尺寸。從圖3可以看出，冷卻速率越大，片層寬度和集束尺寸越小。片層寬度隨著冷卻速率的增大基本呈線性減小，而集束尺寸在冷卻速率為0.25～1 ℃/min時隨冷卻速率的增大快速減小，冷卻速率為1～2 ℃/min時，集束尺寸緩慢減小。

圖4為Ti-5321合金在不同冷卻速率下冷卻不同時間后的片層寬度。從圖4可以看出，α片層寬度隨著冷卻時間的延長呈現(xiàn)由緩慢增大到快速增大再到緩慢增大的規(guī)律。這是由于鈦合金中的β→α轉(zhuǎn)變主要由擴散機制控制[16]，合金由β相區(qū)冷卻到相變點之下剛開始時過冷度小，元素來不及擴散，α相析出長大困難。隨著冷卻時間的延長，過冷度加大，β相轉(zhuǎn)變驅(qū)動力增大，β相較快的轉(zhuǎn)變成α相。進一步延長冷卻時間，合金中殘余β相中溶質(zhì)元素趨于穩(wěn)定，擴散緩慢。

圖3 冷卻速率對Ti-5321合金α片層寬度和集束尺寸的影響Fig.3 Effect of cooling rate on α lamellar width and cluster size of Ti-5321 alloy

圖4 Ti-5321合金α片層寬度隨冷卻時間的變化曲線Fig.4 Curves of α lamellar width vs.cooling time of Ti-5321 alloy

3 結(jié) 論

(1) Ti-5321合金在860～920 ℃溫度范圍內(nèi)熱處理具有較好的抗晶粒粗化能力，在此溫度范圍內(nèi)顯微組織為細(xì)小等軸β晶粒，同時保溫時間主要影響組織的均勻化程度，保溫時間越長，合金晶粒尺寸越均勻。從提高Ti-5321合金綜合性能出發(fā)，推薦的β熱處理工藝為880～920 ℃保溫60～90 min。

(2) Ti-5321合金在特定的冷卻速率下自β相區(qū)冷卻到(α+β)相區(qū)，α相沿晶界析出后向晶內(nèi)生長并粗化，當(dāng)冷卻到一定溫度時α片層終止于原始β晶界和其他α集束邊界，形成全片層組織，其生長特性符合感生形核生長特征。

(3)β熱處理冷卻速率和冷卻時間對Ti-5321合金α片層集束尺寸和片層寬度影響較大，片層寬度隨著冷卻速率的增大基本呈線性減小，隨冷卻時間的延長呈現(xiàn)由緩慢增大到快速增大再到緩慢增大的規(guī)律。冷卻速率為0.25～1 ℃/min時，集束尺寸隨冷卻速率的增大快速減小，冷卻速率為1～2 ℃/min時，集束尺寸減小較為緩慢。